[M0]Android Native层Looper详解

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前言

我们知道Java 层的Looper 的消息队列在没有消息处理的时候，会wait在MessageQueue.next() 函数里，对于MessageQueue.next() 函数是如何实现的wait，却是一知半解。而且Android Framework部分有很多在Native层使用Looper 监听文件描述符的用法，比如InputDispatcher等，了解Android Native 层Looper的实现，可以对整个Android系统的消息循环机制有更深入的理解。

代码版本
http://androidxref.com/6.0.1_r10/xref/system/core/include/utils/Looper.h
http://androidxref.com/6.0.1_r10/xref/system/core/libutils/Looper.cpp

Looper接口说明

Function	Desription
Looper(bool allowNonCallbacks);	Looper 构造函数
static sp< Looper> prepare(int opts);	如果该线程没有绑定Looper，才创建Looper，否则直接返回。
int pollOnce(int timeoutMillis, int* outFd, int* outEvents, void** outData);	轮询，等待事件发生
void wake();	唤醒Looper
void sendMessage(const sp< MessageHandler>& handler, const Message& message);	发送消息
int addFd(int fd, int ident, int events, Looper_callbackFunc callback, void* data);	添加要监听的文件描述符fd

Class Diagram

Looper 类图如下：

在sendMessage()时，需要指定MessageHandler， 根据Message 和 MessageHandler创建MessageEnvelope 。然后将MessageEnvelope 添加到Looper的消息队列 mMessageEnvelopes 中。
Native Looper除了处理Message之外，还可以监听指定的文件描述符。
- 通过addFd() 添加要监听的fd到epoll的监听队列中，并将传进来的fd，ident，callback，data 封装成Request 对象，然后加入到Looper 的mRequests 中。
- 当该fd有事件发生时，epoll_wait()会返回epoll event，然后从mRequests中找到对应的request对象，并加上返回的epoll event 类型（EPOLLIN、EPOLLOUT…）封装成Response对象，加入到mResponses 中。
- 然后在需要处理Responses的时候，从mResponses遍历取出Response进行处理。

addFd() 的具体使用介绍请参考 Android Native Looper机制 - 监听文件描述符

int addFd(int fd, int ident, int events, Looper_callbackFunc callback, void* data);
int addFd(int fd, int ident, int events, const sp& callback, void* data); 

Create Looper

Looper提供两种方式创建Looper：
直接调用Looper 构造函数：

Looper(bool allowNonCallbacks);

调用Looper的静态函数 prepare() ：如果线程已经有对应的Looper，则直接返回，否则才会创建新的Looper。

static sp prepare(int opts);

Looper的构造函数里主要做两件事情：
- 调用eventfd(0, EFD_NONBLOCK)返回mWakeEventFd，用于唤醒epoll_wait()
- 调用rebuildEpollLocked() 创建epoll 文件描述符，并将mWakeEventFd加入到epoll监听队列中

mEpollFd = epoll_create(EPOLL_SIZE_HINT);
memset(& eventItem, 0, sizeof(epoll_event)); // zero out unused members of data field union
eventItem.events = EPOLLIN;
eventItem.data.fd = mWakeEventFd;
int result = epoll_ctl(mEpollFd, EPOLL_CTL_ADD, mWakeEventFd, & eventItem);

关于mWakeEventFd

关于eventfd也是linux新增的一个API，用于线程之间的通信。之前版本中是通过pipe，得到read&write fd：来实现的wakeup looper功能。
当需要唤醒Looper时,调用wake(), 会往mWakeEventFd中write 1

void Looper::wake() {
    ...
    uint64_t inc = 1;
    ssize_t nWrite = TEMP_FAILURE_RETRY(write(mWakeEventFd, &inc, sizeof(uint64_t)));

epoll_wait() 则会返回。然后调用awoken() ，

void Looper::awoken() {
    ...
    uint64_t counter;
    TEMP_FAILURE_RETRY(read(mWakeEventFd, &counter, sizeof(uint64_t)));

Send Message

发送消息是指将消息插入到消息队列 mMessageEnvelopes。mMessageEnvelopes 里面的是根据时间顺序排列存放MessageEnvlope：下标越小，越早被处理。

发送消息的函数有如下三个，但最终都是调用sendMessageAtTime() 来实现的。

void sendMessage(const sp& handler, const Message& message);
void sendMessageDelayed(nsecs_t uptimeDelay, const sp& handler,
            const Message& message);
void sendMessageAtTime(nsecs_t uptime, const sp& handler,
            const Message& message);

来看一下sendMessageAtTime()函数的具体实现：

1. 首先根据uptime在mMessageEnvelopes遍历，找到合适的位置，并将message 封装成MessageEnvlope，插入找到的位置上。
2. 然后决定是否要唤醒Looper：
   
   • 如果Looper此时正在派发message，则不需要wakeup Looper。因为这一次looper处理完消息之后，会重新估算下一次epoll_wait() 的wakeup时间。
   • 如果是插在消息队列的头部，则需要立即wakeup Looper。

Poll Looper

要让Looper运行起来才能处理消息。
Looper提供了接口：pollOnce()
int Looper::pollOnce(int timeoutMillis, int* outFd, int* outEvents, void** outData);

如果Looper中没有任何要处理的event/message,则会阻塞在epoll_wait() 等待事件到来。
调用流程：pollOnce() ->pollInner()->epoll_wait()

    struct epoll_event eventItems[EPOLL_MAX_EVENTS];
    int eventCount = epoll_wait(mEpollFd, eventItems, EPOLL_MAX_EVENTS, timeoutMillis);

epoll_wait()其有三种情况会返回，返回值eventCount为上来的epoll event数量。
- 出现错误返回， eventCount < 0;
- timeout返回，eventCount = 0，表明监听的文件描述符中都没有事件发生，将直接进行native message的处理；
- 监听的文件描述符中有事件发生导致的返回，eventCount > 0; 有eventCount 数量的epoll event 上来。

Dispatch Message

Message/Event 都是在pollOnce() 和 pollInner() 中派发处理的。

pollOnce()

• 主要是 先处理mResponses中 还没有被处理的事件：加入epoll监听列表的fd，但是没有指定callback，但是可以通过返回事件的ident来require caller进行处理的。
• 然后调用pollInner(), pollInner() 调用 epoll_wait() 阻塞等待。这里会处理消息队列 mMessageEnvelopes 的Message，和 mResponses中ident 为POLL_CALLBACK的事件。
• pollInner() 中只处理了mResponses中ident 为POLL_CALLBACK的事件，其他ident >= 0的事件，则在这时处理，处理完返回ident，以便caller 知道是否需要继续处理。

pollInner():

• 调整timeout：Adjust the timeout based on when the next message is due.

  • mNextMessageUptime 是 消息队列 mMessageEnvelopes 中最近一个即将要被处理的message的时间点。
  • 所以需要根据mNextMessageUptime 与 调用者传下来的timeoutMillis 比较计算出一个最小的timeout，这将决定epoll_wait() 可能会阻塞多久才会返回。

• epoll_wait()

• 处理epoll_wait() 返回的epoll events.
  判断epoll event 是哪个fd上发生的事件
  
  • 如果是mWakeEventFd，则执行awoken(). awoken() 只是将数据read出来，然后继续往下处理了。其目的也就是使epoll_wait() 从阻塞中返回。
  • 如果是通过Looper.addFd() 接口加入到epoll监听队列的fd，并不是立马处理，而是先push到mResponses，后面再处理。
• 处理消息队列 mMessageEnvelopes 中的Message.
  
  • 如果还没有到处理时间，就更新一下mNextMessageUptime
• 处理刚才放入mResponses中的 事件.
  
  • 只处理ident 为POLL_CALLBACK的事件。其他事件在pollOnce中处理

小结

主要针对三部分的事件进行派发处理：
- native层通过 sendMessage() 存放在mMessageEnvelopes中的MessageEnvelope。
- 通过 addFd() 加入epoll监听队列的fd，并且其对应的callback不为null的。
- 剩下的就是加入epoll监听列表的fd，但是没有指定callback，但是可以通过返回事件的ident来require caller进行处理的。
他们被处理的顺序如同以上描述顺序。

总结

关于Android Native 层的Looper的实现就介绍到这里了。如有不清楚的地方，欢迎留言。

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